廣西大青山杉木人工林?jǐn)嗝娣e生長(zhǎng)的長(zhǎng)期密度與立地效應(yīng)1)

郭光智 李曉燕 姜麗 段愛(ài)國(guó) 張建國(guó)

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京，100091)

林分?jǐn)嗝娣e與林木數(shù)量、直徑結(jié)構(gòu)、林齡、立地質(zhì)量等密切相關(guān)，林分?jǐn)嗝娣e不僅反映林木群體營(yíng)養(yǎng)空間利用程度，還可以作為表征林分生長(zhǎng)與收獲的指標(biāo)，是林分生長(zhǎng)、收獲的核心因子和重要基礎(chǔ)[1]。盛煒彤[2]提出的人工林育林技術(shù)體系中，密度、立地控制起著基礎(chǔ)且重要的作用。林分密度是影響林分生長(zhǎng)和人工林群落結(jié)構(gòu)的重要因素之一，對(duì)人工林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及生物生產(chǎn)力具有重要影響[3]。密度控制是人工林經(jīng)營(yíng)中可人為調(diào)控的主要技術(shù)措施，通過(guò)密度控制達(dá)到適宜的初植密度或保留密度，可有效掌控林分空間競(jìng)爭(zhēng)格局，調(diào)整林木競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，調(diào)控林分生長(zhǎng)[2]。以往關(guān)于林分密度控制的研究常側(cè)重于不同密度對(duì)林分蓄積、生物量、林下植被的影響等方面[4-9]。立地控制是使造林做到適地適樹(shù)適品種(立地與樹(shù)種、品種相匹配)的根本性措施，相關(guān)研究主要反映在立地定性、數(shù)量化評(píng)價(jià)及優(yōu)勢(shì)木平均高生長(zhǎng)曲線簇[1，10]。

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb). Hook.)是我國(guó)南方亞熱帶地區(qū)重要的鄉(xiāng)土速生針葉用材樹(shù)種[6]。杉木人工林密度效應(yīng)研究開(kāi)展較早，重點(diǎn)集中在密度、立地控制下林分的自然稀疏；樹(shù)高、胸徑、冠幅、材積生長(zhǎng)的密度；立地作用規(guī)律、生長(zhǎng)模擬等方面的研究[7-16]。劉景芳等[17]對(duì)杉木中帶、南帶、北帶林分生長(zhǎng)的密度、立地早期作用規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)造林密度、間伐保留密度、立地指數(shù)均顯著作用于杉木林生長(zhǎng)過(guò)程。而南亞熱帶為杉木生長(zhǎng)的南緣地帶，也是杉木的重要產(chǎn)區(qū)，關(guān)于該區(qū)域杉木林分?jǐn)嗝娣e生長(zhǎng)的長(zhǎng)期密度、立地效應(yīng)研究尚屬空白。本研究根據(jù)廣西大青山36年生杉木密度試驗(yàn)林定位觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析完整輪伐期內(nèi)林分?jǐn)嗝娣e生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，以期揭示南亞熱帶大青山杉木林分?jǐn)嗝娣e生長(zhǎng)的長(zhǎng)期密度與立地效應(yīng)規(guī)律，為杉木人工林的高效定向培育提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于廣西憑祥市境內(nèi)中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心伏波林場(chǎng)(106°43′E，22°6′N)，屬北熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，濕潤(rùn)半濕潤(rùn)氣候，光熱條件極好，降水充沛，但夏濕冬干，10—3月為干季，4—9月為濕季。年平均氣溫19.9 ℃，年降水量1 400 mm，年蒸發(fā)量1 200 mm。海拔500 m，地貌主要為低山，坡度25°～30°。土壤以發(fā)育在花崗巖等母質(zhì)上的紅壤為主，土層厚度大于1 m。林下植被主要有大沙葉(PavettaarenosaLour.)、桃金娘(Rhodomyrtustomentosa(Ait.) Hassk.)、金毛狗脊(Cibotiumbarometz)、鐵線蕨(Adiantumcapillus-venerisL.)等。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

杉木密度試驗(yàn)林由中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所于“六五”國(guó)家科技攻關(guān)初期建造。1982年春，采用廣西當(dāng)?shù)厣寄痉N源1年生裸根苗進(jìn)行種植，設(shè)置5種初植密度，分別為1 667、3 333、5 000、6 667、10 000株·hm-2(株行距分別為2.0 m×3.0 m、2.0 m×1.5 m、2.0 m×1.0 m、1.0 m×1.5 m、1.0 m×1.5 m，分別記為A、B、C、D、E)。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每種密度重復(fù)3次(A1、A2、A3，B1、B2、B3，C1、C2、C3，D1、D2、D3，E1、E2、E3)，共15塊樣地，每塊樣地面積為600 m2。每塊樣地周圍各栽植2行相同初植密度的杉木作為保護(hù)帶。

2.2 測(cè)樹(shù)因子調(diào)查

在杉木固定樣地內(nèi)，對(duì)每株杉木進(jìn)行掛牌記號(hào)，每年停止生長(zhǎng)后進(jìn)行調(diào)查。林分1982—1991年10 a間逐年調(diào)查，1991年(12年生)后分別于1993、1994、1995、1997、1999、2003、2005、2007、2009、2015年進(jìn)行調(diào)查。3～4年生時(shí)，每年測(cè)定每木樹(shù)高；5～6年生時(shí)，每年測(cè)定每木樹(shù)高、冠徑及樹(shù)高達(dá)1.3 m以上的胸徑；7年生開(kāi)始，每年測(cè)量每木樹(shù)高、胸徑、冠徑及枝下高；林分達(dá)10年生，除檢尺每木胸徑外，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)測(cè)量50株樹(shù)高、冠徑、枝下高。在每個(gè)小區(qū)的上、中、下坡位各選2株優(yōu)勢(shì)木，將這6株優(yōu)勢(shì)木的平均高作為林分優(yōu)勢(shì)高，如果上1個(gè)觀測(cè)年度選定的優(yōu)樹(shù)枯死或因其它原因缺失，則在原選定優(yōu)勢(shì)木附近補(bǔ)選1株優(yōu)勢(shì)木。截至2015年，連續(xù)定位測(cè)定至林分36年生，期間未進(jìn)行間伐。

2.3 數(shù)據(jù)處理

用EXCEL、SPSS 19等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SigmaPlot 10.0等軟件制作圖形。胸徑以2 cm為1個(gè)徑階，以林分單株胸徑的均方值為林分平均胸徑。試驗(yàn)小區(qū)立地指數(shù)級(jí)：根據(jù)1999年(20年生)計(jì)算的優(yōu)勢(shì)高確定試驗(yàn)小區(qū)的立地指數(shù)，以2 m為1個(gè)樹(shù)高級(jí)距，整化為立地指數(shù)級(jí)。A1、A2、A3立地指數(shù)級(jí)分別為14、18、16；B1、B2、B3立地指數(shù)級(jí)分別為16、14、16；C1、C2、C3立地指數(shù)級(jí)分別為16、10、16；D1、D2、D3立地指數(shù)級(jí)分別為18、16、14；E1、E2、E3立地指數(shù)級(jí)分別為16、10、18。對(duì)于初植密度相同的試驗(yàn)小區(qū)，若立地指數(shù)級(jí)相同，則根據(jù)需要對(duì)有關(guān)測(cè)樹(shù)因子進(jìn)行平均化處理。如，立地指數(shù)級(jí)同為16的樣地B1、B3，則取這2個(gè)樣地測(cè)樹(shù)因子的平均值代表該指數(shù)級(jí)B密度樣地，用B1-3表示。

林分?jǐn)嗝娣e生長(zhǎng)率計(jì)算采用普雷斯勒生長(zhǎng)率公式：

式中：Zt為生長(zhǎng)率；bt-n為初期斷面積；bt為末期斷面積；n為間隔年數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 相同初植密度不同立地指數(shù)級(jí)林分?jǐn)嗝娣e的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)

圖1至圖5為相同初植密度不同立地指數(shù)級(jí)林分?jǐn)嗝娣e及其連年生長(zhǎng)量、年平均生長(zhǎng)量的動(dòng)態(tài)變化。從圖中可以看出，在林齡、初植密度相同時(shí)，林分?jǐn)嗝娣e及其連年生長(zhǎng)量、年平均生長(zhǎng)量隨立地指數(shù)級(jí)增大而增大，其峰值也隨立地指數(shù)級(jí)增大而增大。初植密度相同時(shí)，立地指數(shù)級(jí)越高，林分?jǐn)嗝娣e生長(zhǎng)率越大。但A密度林分在幼齡期后出現(xiàn)相反情況，立地指數(shù)級(jí)越低，林分?jǐn)嗝娣e生長(zhǎng)率越高。立地指數(shù)級(jí)為16的A3、E110年生時(shí)，林分?jǐn)嗝娣e生長(zhǎng)率A3的大于E1的，分別為20.73%、14.96%；18年生時(shí)，林分?jǐn)嗝娣e生長(zhǎng)率A3的小于E1的，分別為3.90%、6.81%。立地指數(shù)級(jí)為18的A2、E310年生時(shí)，林分?jǐn)嗝娣e生長(zhǎng)率A2的大于E3的，分別為18.50%、17.67%；18年生時(shí)，林分?jǐn)嗝娣e生長(zhǎng)率A2的小于E3的，分別為4.21%、9.33%。28～30年生期間，多數(shù)林分?jǐn)嗝娣e處于滯長(zhǎng)期(年增長(zhǎng)量低于0.5 m2·hm-2·a-1)，D、E等高密度林分在幼齡期后更早地進(jìn)入滯長(zhǎng)期，且立地指數(shù)級(jí)越高，如D1、E3，進(jìn)入滯長(zhǎng)期越早。36年生時(shí)，A2的林分?jǐn)嗝娣e約為A1的1.6倍，C1-3約為C2的1.8倍，E3約為E2的1.6倍，但后二者的立地指數(shù)級(jí)差距更大，說(shuō)明立地對(duì)較低初植密度林分?jǐn)嗝娣e的影響更大。

SI為立地指數(shù)級(jí)；CAI為連年生長(zhǎng)量；MAI為年平均生長(zhǎng)量。

SI為立地指數(shù)級(jí)；CAI為連年生長(zhǎng)量；MAI為年平均生長(zhǎng)量。

SI為立地指數(shù)級(jí)；CAI為連年生長(zhǎng)量；MAI為年平均生長(zhǎng)量。

SI為立地指數(shù)級(jí)；CAI為連年生長(zhǎng)量；MAI為年平均生長(zhǎng)量。

SI為立地指數(shù)級(jí)；CAI為連年生長(zhǎng)量；MAI為年平均生長(zhǎng)量。

3.2 相同立地指數(shù)級(jí)不同初植密度林分?jǐn)嗝娣e的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)

圖6至圖9為相同立地指數(shù)級(jí)不同初植密度林分?jǐn)嗝娣e及其連年生長(zhǎng)量、年平均生長(zhǎng)量的動(dòng)態(tài)變化。從圖中可以看出，林分?jǐn)嗝娣e隨林齡增長(zhǎng)而增加，達(dá)到高峰后除A密度林分，其余密度林分均呈下降趨勢(shì)。林分?jǐn)嗝娣e在11～16年生期間增長(zhǎng)迅速，從20年生起增長(zhǎng)速度減慢。C、D、E等中高密度林分因自然稀疏強(qiáng)度較大，其成熟期時(shí)林分?jǐn)嗝娣e下降明顯。

CAI為連年生長(zhǎng)量；MAI為年平均生長(zhǎng)量。

CAI為連年生長(zhǎng)量；MAI為年平均生長(zhǎng)量。

CAI為連年生長(zhǎng)量；MAI為年平均生長(zhǎng)量。

圖9 立地指數(shù)級(jí)為16的不同初植密度林分?jǐn)嗝娣e、相對(duì)生長(zhǎng)、連年生長(zhǎng)量、年平均生長(zhǎng)量的動(dòng)態(tài)變化

在林齡、立地指數(shù)級(jí)均相同時(shí)，初植密度越大，林分?jǐn)嗝娣e及其連年生長(zhǎng)量、年平均生長(zhǎng)量越大。立地指數(shù)級(jí)相同時(shí)，林分?jǐn)嗝娣e及其連年生長(zhǎng)量、年平均生長(zhǎng)量的峰值隨初植密度增加而增大，但不同密度的林分?jǐn)嗝娣e及其連年生長(zhǎng)量、年平均生長(zhǎng)量差異隨林齡增長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)。其中林分?jǐn)嗝娣e的年平均生長(zhǎng)量峰值，C2、E2的分別為1.872 3、2.696 6 m2·hm-2·a-1；A1、B2、D3的分別為1.645 0、2.166 7、2.898 0 m2·hm-2·a-1；A3、B1-3、C1-3、D2、E1的分別為1.736 1、2.579 9、2.871 1、3.519 1、3.662 4 m2·hm-2·a-1；A2、D1、E3的分別為2.241 7、3.717 8、4.393 9 m2·hm-2·a-1。相同立地條件時(shí)，初植密度越大，林分?jǐn)嗝娣e的連年生長(zhǎng)量、年平均生長(zhǎng)量達(dá)到峰值的時(shí)間越早。如立地指數(shù)級(jí)為14的A、B、D密度林分，林分?jǐn)嗝娣e的年平均生長(zhǎng)量達(dá)到峰值的時(shí)間分別為12、11、10年生時(shí)；立地指數(shù)級(jí)為18的A、D、E密度林分，林分?jǐn)嗝娣e的年平均生長(zhǎng)量達(dá)到峰值的時(shí)間分別為12、10、8年生時(shí)。但林分?jǐn)嗝娣e達(dá)到峰值的時(shí)間特點(diǎn)有所不同，立地指數(shù)級(jí)為16以上的林分，初植密度越高，達(dá)到峰值的時(shí)間越早，如A3、B1-3、C1-3、D2、E1分別為36、24、24、18、20年生時(shí)，A2、D1、E3分別為36、28、18年生時(shí)；立地指數(shù)級(jí)為14以下的林分，初植密度越高，達(dá)到峰值的時(shí)間越晚，如C2、E2分別為18、20年生時(shí)，A1、B2、D3分別為24、24、36年生時(shí)。

立地指數(shù)級(jí)為16的不同初植密度林分?jǐn)嗝娣e總生長(zhǎng)及其相對(duì)生長(zhǎng)、林分?jǐn)嗝娣e的連年生長(zhǎng)量、平均生長(zhǎng)量動(dòng)態(tài)變化(圖9)可以看出，立地指數(shù)級(jí)為16的不同初植密度林分，在14年生前，其林分?jǐn)嗝娣e均隨林齡增長(zhǎng)而快速增加，其中A3的林分?jǐn)嗝娣e隨林齡持續(xù)增長(zhǎng)，B1-3、C1-3、D2、E1林分?jǐn)嗝娣e分別在24、24、18、20年生時(shí)達(dá)到峰值，隨后輕微下降。隨林齡增長(zhǎng)，C1-3、D2、E1林分?jǐn)嗝娣e的差距逐步縮小、漸趨一致，D2在9年生時(shí)超越E1，C1-3在20年生時(shí)超越D2。對(duì)于每公頃林分?jǐn)嗝娣e，20年生時(shí)，A3、B1-3、E1、D2、C1-3的分別為30.504 0、39.148 8、41.188 3、44.491 0、44.755 9 m2·hm-2；20年生后，以A3增長(zhǎng)趨勢(shì)最好，E1下降幅度最大；36年生時(shí)，E1、D2、A3、B1-3、C1-3的分別為30.593 0、34.403 7、39.786 0、40.584 7、43.032 9 m2·hm-2。以A3林分?jǐn)嗝娣e為參照，可明顯看到不同初植密度林分?jǐn)嗝娣e與其相比，隨林齡增長(zhǎng)，差距逐漸減小。不同初植密度林分，其斷面積連年生長(zhǎng)量隨林齡增長(zhǎng)逐步下降，密度越大下降速度越快，差距逐漸縮小；其斷面積平均生長(zhǎng)量隨林齡增長(zhǎng)先快速增加，密度越大增長(zhǎng)速度越快，在林齡10～15年生期間達(dá)到峰值后逐步下降，差距逐漸縮小。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)廣西憑祥36年生杉木密度試驗(yàn)林的長(zhǎng)期定位觀測(cè)，對(duì)4個(gè)立地指數(shù)級(jí)、5種初植密度的杉木人工林林分?jǐn)嗝娣e生長(zhǎng)的長(zhǎng)期密度、立地作用規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明，幼齡林階段，杉木林分?jǐn)嗝娣e及其連年生長(zhǎng)量、年平均生長(zhǎng)量與林齡、密度、立地指數(shù)呈正相關(guān)。成熟期時(shí)，中等初植密度C林分?jǐn)嗝娣e最大。林分?jǐn)嗝娣e隨林齡增長(zhǎng)而增加，除A密度林分外，其余密度的林分?jǐn)嗝娣e達(dá)到峰值后均呈下降趨勢(shì)。初植密度相同時(shí)，林分?jǐn)嗝娣e及其生長(zhǎng)量峰值均隨立地指數(shù)級(jí)的增大而增大?？傮w上，立地指數(shù)級(jí)相同時(shí)，密度越大，林分?jǐn)嗝娣e及其生長(zhǎng)量達(dá)到峰值越早且峰值越大。不同初植密度林分?jǐn)嗝娣e隨林齡增長(zhǎng)，差距縮小并趨于一致。林分?jǐn)嗝娣e生長(zhǎng)受密度和立地的疊加影響，但立地對(duì)較低初植密度林分?jǐn)嗝娣e的影響更大。

林分?jǐn)嗝娣e取決于林分平均單株斷面積、株數(shù)密度[18]。36年生時(shí)，C密度林分?jǐn)嗝娣e最大，因?yàn)镃密度林分雖發(fā)生自然稀疏的頻度并不低于D、E等高密度林分，但自然稀疏強(qiáng)度明顯低于D、E等高密度林分。由于這種自然稀疏起到了類似輕度間伐的效果，使得C密度林分的平均單株斷面積與保留活立木株數(shù)組合后得到的林分?jǐn)嗝娣e明顯高于其它林分。對(duì)比立地指數(shù)級(jí)為16的南帶杉木林分生長(zhǎng)過(guò)程表[17]，30年生時(shí)，C密度試驗(yàn)林分?jǐn)嗝娣e(43.36 m2·hm-2)略高于標(biāo)準(zhǔn)林分總斷面積(42.36 m2·hm-2)，表明南亞熱帶大青山C密度杉木林分有較高的生產(chǎn)潛力。低密度林分?jǐn)嗝娣e生長(zhǎng)率前期大于高密度林分，后期則相反，主要因?yàn)榈兔芏攘址蛛S林齡增長(zhǎng)，生長(zhǎng)空間對(duì)徑生長(zhǎng)的抑制作用不斷加強(qiáng)；高密度林分在生長(zhǎng)后期由于自然稀疏釋放了部分生長(zhǎng)空間，林分?jǐn)嗝娣e生長(zhǎng)率明顯提高，這與杜紀(jì)山等[19]、孫洪剛[20]的研究結(jié)論一致。

林分?jǐn)嗝娣e與林齡密切相關(guān)[21-22]。立地指數(shù)級(jí)、初植密度相同情況時(shí)，林分?jǐn)嗝娣e的平均生長(zhǎng)量比胸徑平均生長(zhǎng)量到達(dá)峰值晚2～5 a，與已有研究結(jié)論一致[23]。林分生長(zhǎng)后期出現(xiàn)較低初植密度、立地指數(shù)級(jí)的林分?jǐn)嗝娣e連年生長(zhǎng)量大于較高初植密度、立地指數(shù)級(jí)的情況，這與陳繪畫(huà)等[23]、唐守正[24]的研究結(jié)論一致。林分?jǐn)嗝娣e及其平均生長(zhǎng)量達(dá)到高峰(數(shù)量成熟)的年齡隨初植密度增大而提前，與已有研究結(jié)論一致[24]。林分?jǐn)嗝娣e速生期隨立地指數(shù)增加而縮短，這與胡曉龍[25]的研究結(jié)果一致。

36年生時(shí)，相同立地指數(shù)級(jí)不同初植密度，多數(shù)林分?jǐn)嗝娣e趨于一致，如立地指數(shù)級(jí)為10的C2、E2林分?jǐn)嗝娣e分別為23.391 6、23.246 4 m2·hm-2；立地指數(shù)級(jí)為16的A3、B1、C1、D2、E1林分?jǐn)嗝娣e分別為39.786 0、36.007 8、33.001 6、34.403 6、30.593 0 m2·hm-2；立地指數(shù)級(jí)為18的A2、D1林分?jǐn)嗝娣e分別為42.374 5、42.102 0 m2·hm-2，這一現(xiàn)象可通過(guò)“最終產(chǎn)量恒定”法則[26]解釋，與Pienaar et al.[27-28]提出“一定造林密度范圍內(nèi)、立地條件相似、成熟期未間伐林分，單位面積上的斷面積趨于1個(gè)共同漸近線”的結(jié)論一致，也與孫洪剛等[22]提出的“只要人工林立地條件相同，經(jīng)足夠長(zhǎng)時(shí)間，林分?jǐn)嗝娣e最終趨于一致”的研究結(jié)論一致。